特征造型技術(shù)

特征造型技術(shù)第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三內(nèi)容提要引言特征的定義和分類基于特征的零件信息模型特征的表示特征的創(chuàng)建與識別幾何形狀特征及UDF特征造型系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特征造型技術(shù)的發(fā)展特征造型系統(tǒng)第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三簡介CAD技術(shù)發(fā)展的幾次革命特征造型是近二十年來發(fā)展起來的一種新的造型方法，它是CAD第三次技術(shù)（參數(shù)化技術(shù)）革命的里程碑。特征(Feature)一詞的出現(xiàn)，最早是在一九七八年MIT的GossardD.C.所指導(dǎo)的SoltesJ.W的學(xué)士論文“AFeature-BasedRepresentationofPartsforCAD”中。第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征定義特征的認(rèn)識不同，至今尚無統(tǒng)一的特征定義，Shah指出一個特征所至少需要滿足以下幾個條件中的一個：零件的物理組成部分；可以映射到某一個具體的形狀；有工程意義；有可以預(yù)知的屬性。第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征定義通用定義：特征就是任何已被接受的某一個對象的幾何、功能元素和屬性，通過它們我們可以很好地理解該對象的功能、行為和操作。更為嚴(yán)格的定義也被使用：特征就是一個包含工程含義或意義的幾何原型外形。特征在此已不是普通的體素，而是一種封裝了各種屬性（attribute）和功能（function）的對象。第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征的作用在CAD系統(tǒng)引入“特征”后，能夠起到以下三方面的作用：①表示設(shè)計意圖；②簡化傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)中繁瑣的造型過程；③從高層次上對具體的幾何元素如點、線、面進(jìn)行封裝。第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征的分類從產(chǎn)品整個生命周期來看，可分為：設(shè)計特征、分析特征、加工特征、公差及檢測特征、裝配特征等；(STEP產(chǎn)品模型)從產(chǎn)品功能上，可分為：形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征、裝配特征；從復(fù)雜程序上講，可分為：基本特征、組合特征、復(fù)合特征。第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三基于特征的零件信息模型第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征的表示面向?qū)ο蟮奶卣鞅硎咎卣鳂?biāo)示ID特征類型Brep特征引用FDG參數(shù)與約束CBG特征操作第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征創(chuàng)建方法（Next)特征交互定義特征自動識別特征轉(zhuǎn)換基于特征(庫)的設(shè)計第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征創(chuàng)建方法第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征識別特征的自動識別包含以下幾個步驟：進(jìn)行拓?fù)浜蛶缀文Ｊ狡ヅ洌惶崛”蛔R別的特征；決定特征的參數(shù)；完成特征模型；組合單個的特征以獲取高層意義上的特征。后面詳細(xì)介紹

第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征轉(zhuǎn)換A、B為不同特性造型系統(tǒng)：等價轉(zhuǎn)換A中的一個特征轉(zhuǎn)換到B中有相同幾何的特征，如設(shè)計模型中的一個通孔轉(zhuǎn)換到加工特征模型中的一個通孔。投影轉(zhuǎn)換A中的一個特征轉(zhuǎn)換到B中一個具有更少信息的特征。關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換A中的一個特征轉(zhuǎn)換到B中一個與之相關(guān)聯(lián)的特征，如設(shè)計模型中的一個肋特征轉(zhuǎn)換到有限元分析特征模型中的一個負(fù)載特征。組合轉(zhuǎn)換A中的多個特征通過重新組合轉(zhuǎn)換到B中的多個特征。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三形狀特征布爾操作：實體加、實體減掃：拉伸，旋轉(zhuǎn)，軌跡掃放樣：變截面修飾特征（二次）：倒角，凸臺(boss)、打孔（hole）、凹槽（pocket）、筋板、抽殼(hollow)，拷貝，陣列，鏡像曲面特征：偏置（offset）、縫合（sew）、修補（patch）、修整（trim）、分割（split）第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三InteSolid形狀特征第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三InteSolid形狀特征（續(xù)）第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三用戶自定義特征用戶自定義特征(Userdefinedfeature，UDF)：是對設(shè)計人員而言具有明確工程語義，包含約束和設(shè)計過程的形狀特征集合。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，UDF可以根據(jù)不同的尺寸值和約束關(guān)系產(chǎn)生設(shè)計變體，并作為一個整體參與零件的布爾運算。自定義特征可以形式化定義為UDF=(Geometry，Attribute，History，Constraint).第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF形式化定義Geometry表示UDF對應(yīng)的幾何形狀。幾何形狀是與具體實例相關(guān)的，同一個UDF的不同實例，具有不同的幾何形狀。Attribute表示特征的屬性。如特征的名稱、體積、材料、公差以及其它用戶自定義的工程描述信息。它把具有多義性的幾何形狀映射到具體的物理實體。History表示UDF的設(shè)計過程。History可以使用特征依賴圖來表達(dá)。特征依賴圖中結(jié)點代表組成UDF的各個子特征，弧代表子特征之間的依賴關(guān)系。Constraint表示構(gòu)成UDF的幾何元素之間的拓?fù)浼s束、尺寸約束及自定義方程約束。這些約束通過對各個子特征之間約束關(guān)系的定義，起著維護(hù)UDF工程語義，判別UDF有效性的作用。第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF=零件?第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF定義與實例化第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF的定義過程包括幾何定義、屬性定義和約束定義三步。由于UDF系統(tǒng)是建立于已有的特征造型系統(tǒng)基礎(chǔ)上，所以，事實上幾何定義過程就是使用特征造型系統(tǒng)進(jìn)行造型的過程。對于一個已經(jīng)存在的零件，幾何定義的過程則表現(xiàn)為用戶從特征歷史樹上選取子特征的過程，被選取的子特征構(gòu)成UDF所包含的內(nèi)部特征集合。屬性定義的過程是定義UDF所包含的描述信息的過程，描述信息可能包括密度，體積，重量等具有工程意義的參數(shù)。約束的定義分為兩步，首先用戶選擇具有工程意義的尺寸和參數(shù)，而后用戶建立個參數(shù)之間的約束方程。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF的實例化UDF的實例化過程包括UDF定位、參數(shù)賦值、約束檢查和內(nèi)部特征重構(gòu)四步。實例化過程也是用戶對UDF定義過程中選取的各個屬性和參數(shù)進(jìn)行重新賦值的過程。通過對屬性和參數(shù)重新賦值，進(jìn)而驅(qū)動UDF模型得到不同的實例。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UDF內(nèi)部特征依賴關(guān)系與零件中特征依賴關(guān)系的融合第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征造型的關(guān)鍵技術(shù)幾何表達(dá)/顯示布爾操作幾何約束求解特征編碼第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三幾何約束求解數(shù)值代數(shù)方法；符號代數(shù)方法；推理方法；圖論方法；第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三數(shù)值方法變量幾何法(Variationalgeometry)。該方法把幾何形狀定義成一系列的特征點，約束則表示成以特征點的坐標(biāo)為變元的非線性代數(shù)方程組，通過數(shù)值迭代方法求解方程組，從而確定出系統(tǒng)中幾何元素的特征點坐標(biāo)。第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三變量幾何法

第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三牛頓－拉普遜迭代法第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三牛頓－拉普遜迭代法的優(yōu)缺點牛頓－拉普遜迭代法的優(yōu)點是如果迭代收斂的話，則收斂速度很快。其缺點是對迭代初始值要求較高，如果初始值偏離方程組的真根過遠(yuǎn)，迭代難以收斂；而且當(dāng)約束方程數(shù)目和自變量數(shù)目不相等，即方程組處于過約束或欠約束狀態(tài)時，雅可比矩陣的逆不存在，牛頓－拉普遜迭代法失效。第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三系數(shù)矩陣是稀疏的

三角分塊方法第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三基于幾何推理的人工智能方法采用一個基于符號推理和操作的專家系統(tǒng)來求解約束。它基于這樣一個事實，即在工程圖中的絕大多數(shù)圖形都可以通過直尺、圓規(guī)和量角器繪出。該方法建立了一個規(guī)則體系，將幾何形體的約束關(guān)系用一階邏輯謂詞描述，存入知識庫中。系統(tǒng)從知識庫中提取出有關(guān)信息,通過推理機(jī)逐步推導(dǎo)出幾何細(xì)節(jié)。該方法具有基于規(guī)則方法的優(yōu)點，諸如幾何知識清晰的表示,知識和處理的分離，規(guī)則庫的可擴(kuò)充性，而且完全避免了數(shù)值算法的不穩(wěn)定性。缺點是系統(tǒng)龐大、速度慢、無法處理循環(huán)約束等。第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三基于圖論的方法基于圖論的約束求解方法該方法用圖來表達(dá)幾何約束系統(tǒng)。圖論的方法將幾何圖形用圖表示，形成幾何約束系統(tǒng)，運用圖論的知識進(jìn)行處理，將約束系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一系列不可分割的子系統(tǒng)，將約束網(wǎng)格歸約成約束樹的形式，從而大大減少了問題求解的耦合度和求解規(guī)模。第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三GCG第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三遞次歸約生成的歸約樹第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征編碼技術(shù)特征編碼技術(shù)（基礎(chǔ)）：從AutoCAD三維造型，到ACIS實體造型核心，沒有進(jìn)行特征編碼會出現(xiàn)的問題。指針的直接引用是不能夠解決這個問題的，因為指針的直接引用畢竟是暫態(tài)的，因此是不穩(wěn)定和不可靠的。特征編碼思路：基于Brep表示法，體——面——線——點，研究拓?fù)鋵嶓w的命名規(guī)則，以確保零件在重構(gòu)時，被引用的拓?fù)鋵嶓w能夠被識別出來。特征編碼的主要功能：拓?fù)鋵嶓w編碼、傳播、記錄和解碼。第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三基于面的編碼以原始特征體上的拓?fù)涿孀鳛榫幋a的基礎(chǔ)實體，而不是以零件體上的拓?fù)涿孀鳛榫幋a的基礎(chǔ)實體，更不是以原始特征體上或零件體上的拓?fù)潼c或拓?fù)溥厼榫幋a的基礎(chǔ)實體無疑是最佳的選擇，這是因為：零件體和其上的拓?fù)鋵嶓w處于不斷的變化過程中，而原始特征體上的拓?fù)涿鎱s處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)；使得拓?fù)鋵嶓w的編碼有規(guī)律可循。那就是以原始特征面編碼為基礎(chǔ)，對零件上的拓?fù)涿鎸嶓w、點實體和邊實體進(jìn)行記錄。第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三草圖編碼第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三草圖編碼，。第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三草圖編碼第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三Sweep編碼二維輪廓草圖為P，element為其中的某草圖輪廓邊，路徑為Path，trajectory為其中的某個路徑片斷第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三掃特征編碼第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三零件的造型過程第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征運算FeatureOperation(){ GetRefEntityByID();//解碼得到引用特征/實體的指針 GetVarListValue();//得到全局求解的變量值，或者 //特征的屬性賦值 CalcAllParameters();//求解特征的位置和幾何參數(shù) Regenerate();//特征實體重構(gòu)并與零件體作布爾運算 FeatureCoding();//特征編碼}第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征技術(shù)的發(fā)展變量化(VGA)基于知識的工程(KBE)行為建模(BM)第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三VGA在分析三維參數(shù)化技術(shù)不足的基礎(chǔ)上，論文[1]提出在零件設(shè)計過程中，應(yīng)允許三維約束以陳述式方式處理的觀點。以陳述式方式處理約束的前提是存在一個可供求解的約束模型。為此，本文提出了通過提取邊界表示和特征定義中隱含的約束信息，自動生成三維幾何約束模型的方法。第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三VGA算法由于基于幾何元素生成的約束模型規(guī)模大、不易于約束分解和求解，本文基于特征對三維約束進(jìn)行建模和求解，降低了約束系統(tǒng)的規(guī)模。本文首先介紹了特征裝配法，將三維約束劃分為定形約束和定位約束，其中定位約束確定特征位置而定形約束確定特征形狀。尺寸映射法，通過由特征編碼機(jī)制維護(hù)的三維拓?fù)湓睾投S草圖元素之間的對應(yīng)關(guān)系，將三維尺寸映射為二維草圖約束進(jìn)行間接求解，從而將三維約束滿足問題轉(zhuǎn)化為相對容易處理的二維約束滿足問題。本文對三維尺寸值變化導(dǎo)致多個特征同時變形的情況進(jìn)行了討論，指出處理這種情況需要約束求解引擎必須具有從變量層次求解約束方程組的能力。第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三KBE由于KBE技術(shù)的開放性，迄今為止，尚無一種公認(rèn)、完備的定義。KBE的基本內(nèi)涵是面向工程，以提高市場競爭力為目標(biāo)，通過工程產(chǎn)品知識的繼承、繁衍、集成和管理，建立工程產(chǎn)品的分布式開放設(shè)計環(huán)境，并獲得創(chuàng)新能力的工程設(shè)計方法。由此可見，KBE的特點在于：

KBE不僅是一個知識的處理過程，包含知識放繼承、繁衍、集成和管理，而且產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要使能技術(shù)。

KBE不僅能夠表示多種形式的知識，而且能夠處理多應(yīng)用領(lǐng)域的知識，因而是集成化的大規(guī)模知識處理環(huán)境。

KBE是面向工程產(chǎn)品全生命周期的系統(tǒng)集成，是一種開放的體系結(jié)構(gòu)，對不同領(lǐng)域具有不同的解決方案。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UG/KFUG作為一個CAD/CAM/CAE的集成軟件，致力于從概念設(shè)計到功能分析、工程圖紙生成、數(shù)控代碼生成及加工的整個產(chǎn)品開發(fā)過程。UG提供了知識驅(qū)動自動化（KnowledgeDrivenAutomation）解決方案，將KBE系統(tǒng)與CAx軟件系統(tǒng)完全集成。KDA是一個能夠記錄、重復(fù)使用工程知識并用來驅(qū)動、建立、選擇和裝配相應(yīng)的幾何模型的系統(tǒng)。這套解決方案包括UG/KF(KnowledgeFusion，知識融合)和一系列過程向?qū)А?/p>

第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三UG/KFUG中采用創(chuàng)成（Generative）和吸納機(jī)制（Adoption）將知識與CAx系統(tǒng)融合。特別是吸納機(jī)制解決了從現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品與實踐中總結(jié)和反求知識的問題。使用Adoption可以為一個已存在的UG對象建立規(guī)則，使這個UG對象與規(guī)則相關(guān)。因為用KF語言建立復(fù)雜造型過于繁瑣，所以可以用交互方式進(jìn)行幾何建模。對象建立后，使用Adoption，系統(tǒng)自動生成相應(yīng)的規(guī)則，這個對象的參數(shù)定義為規(guī)則的屬性。規(guī)則通過屬性來控制對象。第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三行為建模（BM） 因為具有新的行為建模改進(jìn)功能-PTC用于目標(biāo)驅(qū)動式設(shè)計的專利技術(shù)，現(xiàn)有21,000多套正在用戶現(xiàn)場發(fā)揮效能，它能使零件自適應(yīng)地進(jìn)行目標(biāo)追蹤。凸輪軸力求保持動平衡；集裝箱爭取保持正確的容積；機(jī)械裝置自適應(yīng)尋求性能與間隙目標(biāo)的最佳配合。在任何行業(yè)，行為建模技術(shù)都能使Pro/ENGINEER成為設(shè)計過程中的生力軍，使用戶能以更低的成本獲得更好的質(zhì)量。優(yōu)化模型建立：優(yōu)化目標(biāo)——建立分析約束函數(shù)——關(guān)系和分析設(shè)計變量的設(shè)定第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三特征造型系統(tǒng)（流行）1.PTC公司的Pro/Engineer2.SDRC公司的I-DEASMasterSeries3.AutoDesk公司的MDT4.Integraph公司的SolidEdge5.SolidWorksCorp.公司的SolidWorks6.DassaultSystems公司的CATIA第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三1.PTC公司的Pro/EngineerPro/Engineer通過記錄設(shè)計歷史來捕捉設(shè)計意圖，設(shè)計歷史的操作順序可以被修改。Pro/Engineer的參數(shù)化特征造型功能貫穿于整個產(chǎn)品，它為所有類型的模型提供了參數(shù)化的方式，包括特征、曲面、曲線以及線框模型等。所有幾何體都必須被完全約束，不支持欠約束的幾何體。系統(tǒng)經(jīng)過十多年的努力，已經(jīng)把參數(shù)化造型技術(shù)應(yīng)用到工程設(shè)計的各個方面：繪圖、工程分析、數(shù)控編程、布線設(shè)計、板金件設(shè)計等領(lǐng)域。Pro/Engineer還提供雙向數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的能力，這樣設(shè)計的修改能自動更新到出圖、分析、制造以及其它CAD/CAM領(lǐng)域。第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三Pro/E用Pro/Engineer進(jìn)行設(shè)計要求預(yù)先考慮好整個產(chǎn)品的控制參數(shù)以及設(shè)計操作的順序；必須提防雙向數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)可能會引起未授權(quán)用戶擅自修改設(shè)計；另外Pro/Engineer的用戶界面非常復(fù)雜，這對于用戶來說是不方便的。第五十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.SDRC公司的I-DEASMasterSeries5I-DEASMasterSeries5與SDRC公司的先前版本相比，是一個全新的突破。在整個系統(tǒng)中支持所有類型的特征造型功能，包括支持特征、曲線、曲面等，更為重要的是，其VGX技術(shù)的推出——陳述性三維約束表達(dá)SDRC新的VGX變量幾何技術(shù)真正做到使設(shè)計者將注意力集中在工程方面的問題上，直接體現(xiàn)自己的設(shè)計思路，基于VGX的變量化特征允許CAD用戶通過相同零件的特征在3D中動態(tài)捕捉各種關(guān)系，并且歷程順序不影響關(guān)系的有效性。VGX功能擴(kuò)展了檢驗產(chǎn)品的約束推理能力。但是，VGX技術(shù)只是剛剛起步，其先進(jìn)性有待進(jìn)一步檢驗，而且目前VGX特征僅僅表示了拉伸特征，尚不能夠表示旋轉(zhuǎn)等其他特征，并且3D約束中的相切功能也只適用于平面或解析面。第五十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.AutoDesk公司的MDT2.0MDT2.0不僅包含了完整的二維繪圖工具集，而且提供非參數(shù)化實體造型和基于特征的參數(shù)化實體造型、基于約束的裝配造型、NURBS復(fù)雜曲面造型、實體與曲面融合以及IGES、STEP、VDA-FS數(shù)據(jù)交換器等一系列先進(jìn)的三維設(shè)計功能及工具，圓滿地將2D繪圖與3D造型技術(shù)融于一體。MDT2.0能夠自動從3D實體模型中生成多個視圖的各種配置，支持設(shè)計模型與工作圖紙的雙向數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，這些都是它的極為優(yōu)異的功能特性。當(dāng)然，MDT2.0還存在一些值得改進(jìn)的地方。例如不支持多個文檔，造型手段不如哪些老牌的工作站系統(tǒng)豐富。但是MDT2.0的價格優(yōu)勢將使之成為Pro/Engineer或SDRC的重要競爭對手。第五十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4.Integraph公司的SolidEdgeSolidEdge是Integraph公司在MicrosoftWindows操作系統(tǒng)上全新的CAD系列軟件的旗艦。SolidEdge最大的特色是它獨具創(chuàng)意的使用者界面，這方面SolidEdge比任何其他的實體模型系統(tǒng)。SolidEdge不僅可以報告模型的定位過約束和欠約束的情形，并使約束的修改變得十分容易，而且它還可以通過一個被稱為“ShowVariability”的工具用圖形顯示可以變化的情況。SolidEdge可以讀入AutoCAD或Microstation所產(chǎn)生的實體模型進(jìn)行裝配設(shè)計，并且可以在裝配文檔中進(jìn)行零件編輯。SolidEdge還具有極為